Den oprindelige, romanske kirkebygning fik ved senere tilbygninger i 1400-tallet et mere gotisk præg.

Altertavle og prædikestol er udført af "Kalundborg-Værkstedet" i 1616 og 1623.

Kalkmalerierne er fra ca. 1280. På skibets nordvæg ses en biskop, der udveksler gaver med en fyrste. I korbuen ses mod nord Jomfru Maria og Johannes, mens Paulus og Peter ses på sydsiden.

Tømmerup kirke er den eneste danske landsbykirke med kalkmalerier af mordet på Erik Plovpennig på Slien 9. august 1250. De udgør en middelalderlig 'tegneserie'. På det vestligste billede ses, hvordan han liggende fanget i båden sejles bort til Slien, på det midterste (og bedst bevarede), hvordan han modtager nadveren for sidste gang. Næsten forsvundet er det tredie billede, hvor Lave Gudmandssøn og hans mænd kaster kongens krop og afhuggede hoved i vandet, hvor både lig og krone sidenhen kom i nogle fiskeres garn.

Billederne menes malet, efter at fru Ingeborg af Kalundborg, Esbern Snares datter, som ejede bl. a. Tømmerup kirke, i 1262 blev fordrevet fra landet for at have støttet Eriks mordere.